[发明专利]利用通过返回侧输出端的反馈的精密高压电源

说明书

在一个实施例中，一种高压电源包括：DC电压输入端；转换器，其用于将所述DC电压输入端处的DC电压转换为AC电压；升压器，其用于将所述AC电压升压至升压后的AC电压；与所述DC电压输入端DC隔离的整流器，所述整流器可操作来将所述升压后的AC电压转换为在隔离后的整流器输出端处的高DC电压；高电压DC输出端，其用于输出所述高DC电压；电压控制输入端；以及误差电路，其耦接至所述电压控制输入端，并且可操作来通过响应于基于所述高DC电压的反馈而驱动所述隔离后的整流器输出端的返回侧来减小所述高DC电压的变化。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月25日提交的美国临时申请No.62/703,268和2019年6月5日提交的美国申请16/432,474的优先权，其内容通过引用全部并入本文。

技术领域

本公开一般地涉及用于诸如质谱仪之类的仪器的电源。

背景技术

用于低功率输出的高压电源通常包括将低电压DC源转换成AC的开关装置、将AC电压升压至较高值的变压器和/或电感器的组合、以及将高AC电压转换回高DC电压的二极管和电容器的网络。可以通过改变开关定时或者通过改变施加至开关的电压或电流来控制输出电压，但响应速度受到开关周期的限制。在电源输出端需要滤波器网络以减小精密电源中的纹波电压，从而进一步限制了控制带宽并增大了电源对电干扰、振动和其他扰动的敏感性。

高压功率转换器对控制输入的慢响应速度(通常会伴随过高的噪声水平)限制了可实现的输出电压精度。当电源被安装在典型仪器中时，性能可能比单独在工作台上时要差得多。

图1描绘了传统的电源/转换器100，其中转换器的分立组件表示转换器的组成功能而不是实际电路的确切示意图。开关102(通常为晶体管)的网络将DC输入电压转换为AC波形，AC波形被施加至变压器T1的初级。控制输入电路系统104根据控制输入改变开关定时或所施加的DC激励以使得变压器的输出电压改变。二极管和电容器(示意性示出为二极管D1和电容器C1)的网络将变压器次级处的输出电压转换回DC。尽管为简洁起见仅示出D1和C1，但通常还存在用于实现至DC的转换的其他器件。当输出纹波电压不能容易地由C1所表示的电容器减小时，可以采用由电阻器R1和电容器C2示意性表示的输出滤波器106来进一步减小纹波电压。此外，尽管为简洁起见仅示出了器件R1和C2，但还可以存在用于实现滤波的其他器件。电阻器R2和R3将输出电压分压至可以由误差放大器U1与控制电压相比较的值，误差放大器U1的输出被反馈至控制输入端，从而将高电压输出保持在期望值。

图1的电源配置可以用来制作用于在飞行时间(TOF)质谱仪(MS)中对离子加速的精密高压源。其他应用是在电子显微镜中，或者需要严格控制输出DC电压的应用，例如用于对场中的离子或粒子加速。TOF-MS通过精确的DC电压对具有已知电荷的离子加速，将已知能量赋予离子。离子在撞击离子检测器之前在无场空间中在已知距离L上飞行所测量的时间t。如果常数参数和所测量的时间已知在一定误差限度之内，则可以通过以下计算在相当的误差之内确定离子的质量。

E_k＝¹/₂mv²＝¹/₂m(L/t)²

E_k＝qV_a

¹/₂m(L/t)²＝qV_a

m＝2qV_a(t/L)²